その他

【高調波とは】『原因』・『影響』・『対策』などを図を用いて説明します!

スポンサーリンク


この記事では高調波について

  • 高調波とは
  • 高調波の『発生原因』
  • 高調波の『影響・問題』
  • 高調波の『対策』

などを図を用いて分かりやすく説明しています。

以下の目次から各項目に飛べるようになっています。

高調波とは

高調波とは

高調波とは『交流の基本波に対する整数倍の周波数成分をもつ波形』のことです。

基本波の3倍の周波数をもつ正弦波成分を「第3次高調波」、5倍の周波数をもつ正弦波成分を「第5次高調波」、N倍の周波数をもつ正弦波成分を「第N次高調波」といいます。

また、基本波は『商用電源の周波数』であり、東日本では50Hz、西日本では60Hzとなります。

そのため、商用電源の周波数が50Hzの場合、第3次高調波は150Hz(50Hz×3)、第5次高調波は250Hz(50Hz×5)の正弦波成分となります。

上図は50Hzの基本波に対して、第3次高調波を30%第5次高調波を10%足し合わせた時の波形です。基本波に高調波成分が加わると、波形に歪みが生じます。

後ほど詳しく説明しますが、この高調波成分により、コンデンサ焼損、皮相電力の増加等の問題が生じます。そのため、高調波には規格(国際的にはIEC 61000-3-2、国内ではJIS C 61000-3-2)があり、「第N次高調波の限度値は〇Aまで」と決められています。

高調波とノイズの違い

高調波と似ている現象に「ノイズ」があります。

ノイズは単発的に発生し、商用電源の周波数(50Hz,60Hz)と同期しません。

一方、高調波は商用電源の周波数に同期します。分かりやすく説明すると以下の表となります。

項目高調波ノイズ
特徴商用電源の周波数(50Hz,60Hz)と同期する。単発的に発生し、商用電源の周波数(50Hz,60Hz)と同期しない。
周波数一般には基本波の40次程度までの周波数である(商用電源の周波数が50Hzの場合は2kHz程度まで、60Hzの場合は2.4kHz程度まで)150kHz以上

高調波と高周波の違い

高調波とは『交流の基本波に対する整数倍の周波数成分をもつ波形』であり、一般的には基本波の40次程度までの周波数なので、商用電源の周波数が50Hzの場合は2kHz程度までの周波数となります。

一方、高周波とはその名の通り、高い周波数のことです。特に何Hzからという決まりはありませんが、2kHzを超える周波数を高周波ということが多いそうです。

高調波の発生原因

高調波の発生原因としては、以下の一例に示すように様々あります。

  • パソコンやテレビなどに搭載されている『コンデンサインプット型の整流回路』
  • 【高調波の原因】コンデンサインプット型の整流回路

  • こたつや調光器などに搭載されている『トライアック位相制御回路』
  • 【高調波の原因】トライアック位相制御回路

  • 変圧器の磁気飽和現象による『ひずみ波電流』
  • アーク炉の『アーク電流』

高調波の対策

高調波の対策としては、以下の一例に示すように様々あります。

  • 『チョークインプット型の整流回路』にする
  • 【高調波の対策】チョークインプット型の整流回路

  • 入力電解コンデンサの前段に『PFC回路(力率改善回路)』をつける
  • 【高調波の対策】PFC回路(力率改善回路)

  • 『進相コンデンサ』と『直列リアクトル』を組み合わせて電源波形を改善する

高調波による影響・問題

高調波が発生することで以下の一例に示すような影響・問題が発生します。

  • 進相コンデンサに高調波電流が流れることによる燃損
  • コンデンサのインピーダンス\(Z_C\)は以下の式で表されます。

    \begin{eqnarray}
    Z_C=\frac{1}{2{\pi}fC}
    \end{eqnarray}

    そのため、周波数\(f\)が高いほどインピーダンス\(Z_C\)が小さくなります。したがって、以下の流れでコンデンサが焼損する可能性があります。

    コンデンサの焼損の流れ

    高調波電流が流れる→高調波は商用電源の周波数(50Hz,60Hz)より高い→コンデンサのインピーダンスが小さい→コンデンサに流れる電流が大きくなる→コンデンサが焼損する

  • 電気機器の入力電圧が下がることによって、スイッチング電源が正常に動作しない
  • 電源ラインにはインピーダンスが存在しています。高調波電流が流れることにより、そのインピーダンスによって電圧降下が発生します。その結果、スイッチング電源の入力電圧が高調波を含んだ波形となり、入力電圧が下がります。

  • 皮相電力が大きくなる
  • 高調波電流が多い機器は力率が低いため、皮相電力が大きくなります。そのため、入力電流が大きくなり、電力設備に余裕が必要となります。

  • トランスのうなる
  • ステレオに雑音が発生する
  • テレビの画面がちらつく
  • ヒューズが溶断する
  • リアクトルが焼損する
  • 電気機器が誤動作する

高調波の規格

高調波には規格があり、規格では「第N次高調波の限度値は〇Aまで」と決められています。

この高調波の限度値に関する規格は世界的には国際的には「IEC 61000-3-2」、国内では「JIS C 61000-3-2」、中国では「中国強制認証制度(CCC)」に規定されています。詳しくは各規格を参照してください。

まとめ

この記事では高調波ついて、以下の内容を説明しました。

当記事のまとめ

  • 高調波とは
  • 高調波の『発生原因』
  • 高調波の『影響・問題』
  • 高調波の『対策』

お読み頂きありがとうございました。

当サイトでは電気に関する様々な情報を記載しています。当サイトの全記事一覧には以下のボタンから移動することができます。

全記事一覧

スポンサーリンク
スポンサーリンク

© 2020 Electrical Information Powered by AFFINGER5